К

К.филос.н., доцент кафедры философии Горбатюк Т.В.

Национальный университет биоресурсов и природопользования, Украина

Новая парадигма мироустройства: к постановке проблемы

В фундаментальной науке XXI века происходит грандиозный научный и мировоззренческий переворот, который по масштабу не уступает коперниканской революции. Открытие темной материи и темной энергии кардинально меняет общее представление о тотальности физической Вселенной. Поэтому современное понимание проблем, стоящих перед ученими, наводит на мысль о том, что в ближайшем будущем, возможно, произойдет существенное и достаточно радикальное дополнение современных представлений о законах природы.

Ключевые слова: фундаментальная наука, парадигма, мировоззрение, темная материя, темная энерги

In fundamental science of XXI century a grand scientific and philosophical revolution equal to great Copernican revolution takes place. The discovery of dark substance and dark energy drastically alter the overall picture of the totality of the physical universe. Therefore, the current understanding of the problems faced by scientists suggests that quite substantial and radical addition to modern ideas on the laws of nature may happen in nearest future.

Keywords: fundamental science, paradigm, worldview, dark substance, dark energy.

Введение. Благодаря усилиям нескольких поколений физиков ХХ века, многие из которых стали лауреатами Нобелевской премии, произошел гигантский скачок в понимании того, как устроена материя на самом фундаментальном, глубинном уровне. Была создана так называемая Стандартная модель, которая объединяет на основе простых и общих принципов все фундаментальные взаимодействия, известные сегодня, а именно: электромагнитные, слабые и ядерные. Стандартная Модель объясняет с невероятно высокой точностью огромное количество фактов и характеристик нашего мира. А открытие «бозона Хиггса» является одним из главных аргументов ее подлинности.

Постановка проблемы. В то же время в фундаментальной науке XXI века происходит грандиозный научный и мировоззренческий переворот, который по масштабу не уступает великой коперниканской революции. Новые открытия свидетельствуют о том, что в нашей Вселенной господствует не «светящаяся материя», а «темная энергия». Космическая материя, заполняющая нашу Вселенную, не тождественна той материи, которая непосредственно окружает планету Земля. В физике такую материю (т.е. материю, состоящую из электронов, протонов, нейтронов, атомов, атомных ядер, молекул неживой и живой материи) называют «барионной». Поскольку она способна излучать и отражать электронно-магнитные волны, ее характеризуют как «светящуюся». Материю же, не излучающую и не отражающую электронно-магнитные волны, принято называть «темной», «невидимой». «Темная энергия» - это антигравитирующая субстанция. Она расталкивает далекие галактические скопления, придавая им ускорение. Эта антигравитирующая субстанция составляет львиную долю всей космической материи, заполняющей Вселенную.

Основная часть. После открытия темной материи и темной энергии общее представление о тотальности физической Вселенной кардинально изменилось. На месте адронной идентификации тотальности физической Вселенной появилась новая - кварк-глюоная. В горизонте новой идентификации тотальности физической Вселенной ученые по-новому увидели положение антропной материи, ее экзистенциальную судьбу в эру суперколлайдерных экспериментов над кварк-глюонной материей.

Но энергии мощных суперускорителей, которые можно было бы построить на Земле, не хватает, чтобы разогнать элементарные частицы до энергий, необходимых для проверки современных физических теорий. В природе же эти элементарные частицы с такими энергиями существуют. Астрофизики наблюдают их в космических процессах с помощью космических телескопов. И именно поэтому мировое сообщество создателей фундаментальной физики для тестирования современных физических теорий предпочитает строить вместо земных суперускорителей гигантские внеземные космические телескопы. Похоже, что со временем мировое сообщество создателей фундаментальной физики в своих последующих исследованиях извечных основ Вселенной будет осуществлять прорывы преимущественно с помощью космических мегателескопов.

Более того, современное понимание тех проблем, которые стоят перед учеными наводит на мысль о том, что перед фундаментальной физикой поставлен вопрос совершенно иного характера и в ближайшем будущем, возможно, произойдет существенное и достаточно радикальное дополнение современных представлений о законах природы.

В начале 90-х годов с хорошей точностью была оценена и плотность энергии «нормальной» материи в современной Вселенной. «Нормальная» она в том смысле, что имеет такие же гравитационные взаимодействия, и обычное вещество. В то же время понимание «нормальной» материи осложняется тем, что большая часть ее это отнюдь не известное нам вещество (атомы и ионы), а так называемая темная материя. Темная материя, очевидно, состоит из новых, пока еще не открытых в земных экспериментах элементарных частиц. В отличие от многих известных частиц, они не несут электрического заряда, а потому не излучают свет, поэтому материя, состоящая из них, действительно темная. Сходство с обычным веществом заключается в том, что силы гравитационного притяжения заставляют темную материю собираться в сгустки – галактики и скопления галактик. Она и сама притягивает вещество и свет, именно благодаря этому эффекту гравитационного притяжения она и была обнаружена. Более того, измерения гравитационных сил в скоплениях галактик позволили определить массу темной материи в этих скоплениях, а в конечном итоге в целом во Вселенной. Таким образом, была найдена полная плотность энергии «нормальной» материи.

Выяснилось, что «нормальной» материи явно не хватает для объяснения измеренного темпа расширения Вселенной. Причем достаточно много: «недостаток» составляла около 2/3 (по современным оценкам около 72%). Возможных объяснений этому факту было два: или трехмерное пространство искривлено, и недостающая доля в параметре Хаббла связана с его «упругостью», или во Вселенной присутствует новая форма энергии, которую впоследствии и стали называть темной энергией.

Открытие темной энергии было сделано астрономическими методами и стало для большинства физиков полной неожиданностью. Темная энергия – пожалуй, главная загадка современного естествознания. Вполне вероятно, что ее разгадка станет важнейшим событием физики XXI века, которую можно сравнить по масштабу с крупнейшими открытиями недалекого прошлого, такими как открытие феномена расширения Вселенной. Не исключено даже, что произойдет столь радикальное развитие теории, что она станет в один ряд с созданием общей теории относительности или открытием кривизны пространства-времени и связи этой кривизны с гравитационными силами. Современные ученые находятся в начале пути, и разговор о темной энергии - это возможность заглянуть в «лаборатории» физиков в то время, когда их работа идет полным ходом.

Поэтому на сегодняшней день возникает один из главных вопросов: что собой могут представлять такие гипотетические субстанции как «темная материя» или «темная энергия»?

Темная материя, очевидно, состоит из новых, неизвестных частиц [1]. Эти частицы должны быть стабильными или иметь время жизни, сопоставимое с возрастом Вселенной. Таких частиц нет в Стандартной модели, так что уже само представление о темной материи требует выхода за ее рамки.

Частицы «темной материи» имеют те же свойства по отношению к гравитационным взаимодействиям, что и обычные частицы, они способны собираться в сгустки (гало галактик и галактические скопления) и формировать гравитационные потенциалы. Большую роль играет «темная материя» в формировании структур Вселенной – галактик, их скоплений и т.д. Из результатов исследования этих структур, как и из изучения анизотропии и поляризации микроволнового реликтового излучения следует, что частицы «темной материи» были нерелятивистскими на достаточно ранних этапах эволюции Вселенной. Это скорее всего связано с достаточно большой величиной их массы. Одновременно частицы темной материи не имеют электрического заряда и вообще чрезвычайно слабо взаимодействуют с веществом, иначе они были бы уже зарегистрированы в экспериментах по их прямому поиску.

Среди гипотетических кандидатов на роль частиц темной материи можно назвать: стабильные нейтральные тяжелые частицы WIMP (нейтралино, аксион, гравитино, сверхмассивные частицы и т.д.), однако в большинстве сценариев необходимую плотность массы темной материи во Вселенной удается получить только с помощью подгонки параметров модели. Подчеркнем, что в любом случае механизмы генерации «темной материи» и асимметрии между веществом и антивеществом во Вселенной совершенно различны.

Характеризуя «темную энергию» мы можем говорить, что ее гравитационные свойства сильно отличаются от свойств других форм энергии [4]. «Темная энергия» не собирается в сгустки, она равномерно «разлита» во Вселенной. Плотность темной энергии очень слабо изменяется или вообще не изменяется со временем, в то время как плотность любых частиц относительно быстро уменьшается из-за расширения Вселенной. Наличие темной энергии приводит к ускоренному расширению Вселенной, так что можно условно сказать, что темная энергия формирует антигравитацию.

Выводы. Подытоживая, заметим, что в физике частиц, и в космологии многие фундаментальные факты выглядят сегодня как противоречащие критерию естественности. С одной стороны, однородные параметры теории элементарных частиц оказываются разнесенными на много порядков величины: одним из примеров здесь служат энергетические масштабы, характеризующие различные взаимодействия и темную энергию, другой пример – безразмерные константы, определяющие массы кварков и заряженных лептонов. С другой стороны, разнородные характеристики Вселенной, например, плотность темной материи и плотность обычного вещества, оказываются одинаковыми, несмотря на разные механизмы их генерации в ранней Вселенной. Отдельно стоит проблема космологической постоянной (энергии вакуума), которая остается нерешенной в течение нескольких десятков лет, несмотря на все усилия теоретиков.

Понятно, что наиболее привлекательной является возможность того, когда каждый из этих фактов имеет свое динамическое объяснение. Большинство из них требует расширения известных представлений о физике частиц, доступного экспериментальной проверке в недалеком будущем, в первую очередь на LHC. С такой точки зрения следует ожидать открытия целых пластов «новой физики» в ближайшие годы.

Существует возможность того, что Вселенная на самом деле гораздо больше, чем та часть которая может наблюдаться сегодня; и в разных областях Вселенной некоторые параметры значительно больше, чем те которые мы считаем фундаментальными (возможно, различны и сами физические законы в нынешнем понимании этого слова). На такую возможность указывают, например, модели «вечной» инфляции [3] или представление о «ландшафте» теории струн [2].

Рассматривая тенденции формирования новой парадигмы мировосприятия в современной фундаментальной науке, мы можем с уверенностью говорить, что современная наука стоит в начале формирования новой картины мира, будет формироваться за рамками современного понимания физики элементарных частиц и Стандартной модели в частности. Это позволит понять устройство нашей Вселенной с абсолютно новых позиций научного поиска.

Литература

1. Bottino A, Fornengo N "Dark matter and its particle candidates", hep-ph/9904469; Olive К A "Dark matter", astro-ph/0301505

2. Bousso R, Polchinski J J. High Energy Phys. (JHEP06) 006 (2000); hep-th/0004134; Kachru S et al. Phys. Rev. D 68 046005 (2003); hep-th/0301240; Susskind L "The anthropic landscape of string theory", hep-th/0302219

3. Linde A "Inflation, quantum cosmology and the anthropic principle", in Science and Ultimate Reality: Quantum Theory, Cosmology, and Complexity (Eds J D Barrow, P С W Davies, С L Harper (Jr)) (Cambridge: Cambridge Univ. Press, 2004); hep-th,'0211048

4. Sahni A, Starobinsky A Int. J. Mod. Phys. 1) 9 373 (2000); astro-ph/ 9904398; Weinberg S "Thecosmological constant problems", astro-ph/0005265; Padmanabhan T Phys Rep. 380 233 (2003); hep-th/ 0212290; Peebles P J E, Ratra ВRev. Mod. Phys. 75 559 (2003); astro-ph/0207347